操作系统知识回顾---进程线程模型

一、进程模型

(一)多道程序设计

从系统允许多个程序同时进入CPU那一天开始，我们才有了进程，这个对CPU资源的抽象。我们把这种多个程序同时运行在CPU的情况叫做多道程序。其优点不必赘述，举个例子，单一程序设计时，好比公交车上每次只能坐一个人，多道以后，就能坐多个人，有上有下。也是基于这样的设计思路，才有现在的各种貌似高端的技术。多道，跟中断，DMA，SPOOLer一并，被称为计算机操作系统发展史上里程碑一样的创造。

(二)进程定义

在某个数据集合上，具有独立功能的程序运行过程，叫做进程。英文里有许多叫法(process task job)当然换汤不换药，不同时代的产物罢了。进程的出现，解决了程序并发执行时对系统资源共享的描述问题，同时顺路解决了程序执行时动态特征的描述问题。虽然是抽象出来的概念，但作为程序员，那东西是存在的。

(三)进程控制操作

进程控制的目的是为进程完成生命周期指明方向，保驾护航。系统创建了进程，一定要负责到底。从进程创建，撤销，到状态转换中的阻塞，唤醒，挂起，激活，同时还有进程间优先级的控制。这些控制指令都是通过“原语”实现的，这个词不出意外最先是在数据库基础知识中学到的，对滴，不能被打断，打断就抛弃结果。对于系统，没有被打断的可能性。

此处加一个小插曲：进程的创建fork()的执行过程

1.为子进程分配一个空闲进程描述符；

2.赋予子进程唯一标示符pid；

3.以一次一页的方式复制父进程的地址空间(这是Unix的实现方式，linux引入COW技术)；

4.子进程获得父进程共享资源的指针；

5.子进程进入就绪态，加入调度队列；

6.子进程返回0，向父进程返回pid。

(四)进程分类及进程层次结构

系统进程vs用户进程，系统进程优先于用户进程

前台进程vs后台进程，前后台进程有优先级的区别，前台往往高于后台

计算密集vsI/O密集，决定了调度策略，是系统设计时讨论的话题

进程的层级结构有树形（unix）和平行结构（windows）

(五)进程状态切换

基本状态为三态及转换，如图1

发展一下成为五态模型，加入了创建和撤销两个case，如图2

再复杂一点，加入挂起原语，使得就绪和阻塞有挂起状态，增加了系统调度复杂性，但提高了灵活度，降低调度难度。如图3

linux中包含五种状态，使用宏进行了定义：

TASK_RUNNING对应运行态，TASK_INTERRUPTIBLE可中断态，TASK_UNINTERRUPUTIBLE不可中断态，两种是就绪态中的不同方向

TASK_ZOMBIE僵死状态，对应于阻塞态，TASK_STOPPED停止态，对应于进程的撤销状态。五个状态之间的转换，如图4

(六)进程控制块

就像开车得有方向盘，管理得有管理的可控对象，对于进程来讲，PCB就是进程的方向盘，他是一个专门的数据结构，记录了进程的外部特征，描述了进程的运动过程，标记了进程在整个生命周期中的活动，成为了系统感知进程存在的唯一标识。这个数据结构中包含了三个方面的内容：

进程管理，内存管理，文件管理

看上去就很容易理解了，OS的大部分功能通过进程来实现，所以进程中必须包含实现操作系统功能的“方向盘”。这些内容中，多数是记录了管理相应对象的主指针，以及指向不同管理对象描述块的指针，比如文件管理，指向文件描述块，就是我们常说的FCB等。

在linux系统中，TCB被具体实现为task_struct其中包含了进程调度 pid，信号处理，状态管理，进程队列指针，定时控制，信号量管理，上下文切换，文件系统管理，内存管理等等。这个数据结构能看懂，看完，你的Linux内核分析工作就可以开始了。

(七)进程虚拟地址空间

内存管理模块会在进程创建的时候分配地址空间，这些空间被进程划分为四大部分：

PCB占用，用户栈空间，私有用户空间（代码），共享空间。其中，PCB占用的部分又划分为PCB号，进程状态，进程控制信息

(八)进程上下文环境

首先应该明白什么叫做上下文，小学语文的时候，老师就会让我们结合上下文来猜不认识的词的意思，中学英语老师也有这个习惯。现在，这个方式仍然适用，只不过是系统用，他需呀这个上下文信息来猜我们运行到哪里了，进程是什么情况了。我们读完上文，就会记住，然后去读下文，最后综合上下文进行猜词。系统也得这么做。也就是保存上下文信息，分析当前进程运行状态。

上下文信息在系统中指的是用户地址空间内容，多是指正在运行的程序，硬件寄存器内容，多指程序运行状态，该进程相关的核心数据结构最新内容。根据不同的操作对象，我们又把上下文信息分为三种，

用户级上下文：用户地址空间，用户栈信息，程序段信息（代码段，数据段）

系统级上下文：静态信息（PCB，资源使用表）动态信息（核心栈）

寄存器级上下文：PC IP SP ABCD那一些寄存器内部的信息，如果不太懂，可以看组成原理，也可以等我的AT&T汇编指令笔记一文，那里头会讲这些枯燥的符号

再加一个小插曲：中断处理和进程调度的关系，实际上就是当系统发生中断，进程作何反应？

来个原汁原味的图图来说明，英文不好，还是转行吧，别做IT了。如图5

二、线程模型

(一)线程引入

操作系统课程里，陈老师喜欢用字处理软件和web服务器两个例子引入线程，估计是翻译外文书的结果，我也喜欢翻译外文书，估计是找了个翻译专业的媳妇的结果，哈哈哈，说远了。此处也给大家简单介绍一下这两个模型。

1.字处理软件，比较常见的就是word，当然，当今的2013，绝非这么简单。我们抽象出来三个线程，接收键盘输入并显示，自动排版缩进，自动存盘。三个过程都是在word的进程中，他们共享当前所操作的文件，协同处理，当然他们分工不同，也有先后顺序。

2.web服务器，一个web server进程中会包含这么几个进程，网络连接，分派线程，网页处理，网页缓存等。这些线程运行在用户空间，由网络连接请求发起。当然，话又说回来，并非所有的web服务器都得设计成多线程的模型，系统管理用的多了，实际用于工作的资源就会少，平衡这些因素，才能选出合适的设计方案。

基于这两个模型，我们引入线程的概念，对于一个活动的进程，我们想让他同时执行多种功能，但是这几种功能之间通过不同进程的解决方案通信开销太大，调度开销也不小，因此我们应该给出一个比进程更轻量级的实体，他们能够共享的资源更多，通信更方便高效，低耗，线程这玩意就应运而生了。老话说得好，进程是系统最小资源分配单位，线程是系统最小调度单位，线程是轻量级的进程。一语中的。

(二)线程模型

线程的模型与进程相似，同样包含线程实现功能所需的数据结构，运行时状态等信息，同时包含可读写的所在进程的资源。那么进程与线程的实质上的区别在哪儿呢？

一个线程可以运行在不同进程之间，一个进程可以有多个线程。线程可以有自己的资源，也可以共享进程的资源。本质上的区别，可以从线程的实现机制中说明。

(三)线程实现机制

1.用户级线程linux

通过用户程序空间的一组线程库函数完成所有线程的管理。内核并不知到线程的具体运行情况，线程之间的切换和状态转移不需要核心态系统支持，调度过程是基于应用程序，特有的线程过程。具体的实现过程如下：当系统对进程进行调度的时候，进程对其内部的用户级线程进行调度和状态转换，提高进程内部资源的利用率。当进程内部一个线程处于阻塞状态时，可以将其他就绪态的线程运行。但是当线程提出系统调用或者发生中断时，进程也被阻塞。

这么做的优点是：线程切换不必调用系统核心；调度过程是基于用户程序的，可以针对用户程序业务逻辑选择更好的调度算法；用户级线程模型可以运行于任何系统上，只需要有相应的线程库支持。

当然缺点也很明显，当进程内部某一个线程进行系统调用时，整个进程都会被阻塞，这样会影响整体的效率；进程分配到的资源不能够在两个CPU同时运行，换句话说，用户级线程不能支持多核多线程的用户要求。

常见的用户级线程支持库是POSIX线程库，其中包含线程控制的大部分函数接口。

2.核心级线程windows

相对应于用户级线程，就是系统线程。这种线程模型中，所有的线程管理都由系统完成；没有线程库，但是系统提供了调用API函数接口；系统完成线程的上下文切换，系统进行线程调度，并以线程为基本调度单位进行管理。

优点：对于多处理器，核心可以同时调度同一进程的不同线程在不同CPU中运行。线程的阻塞不会影响其他线程的运行。核心例程是多线程的。

缺点：在同一进程中调用系统内核，会降低进程运行效率。

当然也有混合上述两种模型的系统solaris，其中线程的创建在用户级别，线程调度在系统级别。